La nueva ronda de experimentos del acelerador LHC arrancó en 2015 buscando partículas en los límites de la física teórica. Y durante el pasado verano, el laboratorio europeo de física de partículas CERN anunció el descubrimiento del pentaquark, una nueva y exótica partícula cazada con los datos obtenidos en la primera ronda del LHC (2010-1013), cuya existencia ya fue predicha hace más de 50 años por Murray Gell-Mann (1929 – 2019).
En 1964 Gell-Mann resolvió el complejo puzle de las partículas subatómicas con su modelo estándar, que le valió el premio Nobel de Física en 1969. Con él explicaba la naturaleza de las partículas entonces conocidas y apuntaba la posibilidad de partículas más complejas y exóticas, como la recién descubierta. Desde entonces, el pentaquark era solo una hipótesis. Pero ahora que ya parece una realidad, los científicos confían en que su estudio permita entender mejor las estrellas de neutrones y la interacción nuclear fuerte (una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza).
De momento, el pentaquark es ya la nueva pieza del rompecabezas de Gell-Mann. «En los años 50 se detectaron muchas partículas nuevas que nadie sabía como clasificar y mi único deseo era resolver aquel puzle», explicó una vez el físico, que cumplió 86 años el pasado 15 de septiembre. Murray Gell-Mann quería poner orden en el zoo de partículas subatómicas que los físicos descubrieron después de romper el átomo.
¿SABÍAS QUÉ …?
Murray Gell-Mann tomó prestado el nombre “quark” de una novela de James Joyce, “Finnegan’s Wake”:
Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it’s all beside the mark.
En este contexto, “quark” es una onomatopeya que representa el graznido de una gaviota. Eso encaja perfectamente con lo que Gell-Mann buscaba: una palabra sin sentido ni ortografía definida. Además, el número tres del texto de Joyce encajaba con que los quarks se agrupan de tres en tres para formar bariones (como los protones y neutrones).
En los años siguientes, cientos de nuevas formas de materia sembraron un excitante desconcierto entre los científicos. Pero cuando el físico judío comenzó a plantear su modelo, se tuvo que enfrentar a muchas reticencias y su sugerencia de que los protones y los neutrones debían estar compuestas por un nuevo tipo de partículas, a las que llamó quarks, no gustó a todos.
‘Quarks’, unas partículas aún más elementales
Había tres motivos fundamentales que hacían recelar a algunos de las nuevas partículas propuestas por Gell-Mann. Por un lado, se creía que los protones y los neutrones eran partículas elementales, es decir, que no estaban compuestas por otras partículas más pequeñas. Por otro lado, los quarks están permanentemente atrapados dentro de otras partículas y no se pueden encontrar en solitario. Y, por último, todo el mundo creía que la carga eléctrica debía ser entera, los electrones tienen carga -1 y los protones +1, mientras que los quarks debían tener cargas fraccionarias (1/3, 2/3, etc.).
Sin embargo, Murray demostró que tenía razón y gracias a su trabajo, y el de otros muchos investigadores, se pudo desarrollar lo que hoy se conoce como modelo estándar de partículas. Gracias a esta teoría, no solo se consiguió clasificar y ordenar todas aquellas nuevas partículas, sino que se estableció un marco que predecía qué partículas podían existir, de entre todas las combinaciones que se podían realizar con los seis tipos de quarks que establecía la teoría. Gell-Mann no solo había resuelto el puzle, sino que lo había hecho sin necesidad de contar con todas la piezas y haciendo una predicción de las piezas que aún faltaban.
A partir de ahí se decidió que a las partículas que estuvieran compuestas por dos quarks se les llamaría mesones, mientras que a las de tres quarks se les puso el nombre de bariones. A esta última categoría pertenecen, por ejemplo, los protones y los neutrones. Así, durante las últimas décadas se han ido descubriendo la mayoría de las partículas predichas por la teoría. Sin embargo, algunas de ellas están siendo difíciles de encontrar debido a su naturaleza exótica. Entre ellas, se encuentra el pentaquark.
Una rara combinación de materia y antimateria
Como su propio nombre indica, el pentaquark está formado por 5 quarks, algo bastante exótico si tenemos en cuenta que la mayoría de las partículas observadas están compuestas por 2 o 3 quarks. Como ya hemos dicho, el propio modelo estándar establece una serie de normas para formar partículas a través de los quarks. Si seguimos estas normas, una de las combinaciones a priori más probable es la de que esté formado por cuatro quarks y un antiquark.
Esta es precisamente la combinación que se detectó el pasado mes de julio en el gran acelerador de hadrones del CERN. Los científicos han detectado una partícula que cuadra bastante bien con lo que se espera de un pentaquark. Para detectarlo, los investigadores estudiaron la desintegración de una partícula que puede romperse de varias formas diferentes. Una de las posibilidades es que se desintegre en un pentaquark más otra partícula y los datos han mostrado, sin lugar a dudas, que efectivamente se ha producido una desintegración de este tipo. Sin embargo, aún no se sabe si dicha partícula es realmente un pentaquark o una “molécula” formada por un barión, con tres quarks unidos por un lado, y un mesón, con una pareja de quark y antiquark por otro. Lo curioso del caso es que este descubrimiento se ha producido de forma accidental, ya que el experimento donde se ha observado no está originalmente diseñado con este propósito.
Casualidades o no, parece que, más de cinco décadas después, los experimentos vuelven a darle un poco más la razón a Gell-Mann. Quizás por eso este físico dijo en su día, parafraseando a Newton, que si había visto «más allá que los demás, es porque estaba rodeado de enanos». Cualquiera podría pensar que tras esta frase se esconde una personalidad egocéntrica e incluso algo pretensiosa, pero la realidad es que Gell-Mann pronunció esa frase con la socarronería del que sabe que, 50 años después, sigue teniendo razón. Al fin y al cabo, nadie puede negar que gracias a él se resolvió el puzle subatómico.
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